某鐵礦采空區(qū)地壓監(jiān)控及穩(wěn)定性分析*

張 洋 李占金 李示波 張艷博

(河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

某鐵礦屬于河北省地方礦山，采用空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行地下開采已有十幾年的歷史。礦床回采后，由于技術(shù)落后和單純追求經(jīng)濟(jì)利益，一直沒有對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，已形成49個(gè)大小不等的采空區(qū)，空區(qū)總體積達(dá)58.4萬m3，其中最大單個(gè)采空區(qū)頂板暴露面積達(dá)1 100 m2，體積為4.68萬m3。隨著采礦活動(dòng)向深部發(fā)展和空區(qū)體積的增加，綜合治理和管理采空區(qū)成為了該礦山企業(yè)必須解決的重大安全生產(chǎn)問題。因此，必須采用一種先進(jìn)的地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)采空區(qū)地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，為礦山的安全生產(chǎn)提供保障。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用巖體在發(fā)生破裂、滑動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定頻率的聲發(fā)射信號(hào)的原理來進(jìn)行工程巖體穩(wěn)定性分析的技術(shù)方法，可以確定巖體的荷載水平、評(píng)定危險(xiǎn)等級(jí)，發(fā)現(xiàn)潛在的不穩(wěn)定區(qū)，對(duì)巖體破壞進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而可以以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)提出必要的預(yù)防和處理措施。相比之前的光測(cè)法和電測(cè)法，聲發(fā)射技術(shù)更為先進(jìn)和方便。20世紀(jì)70年代初該技術(shù)被引入我國(guó)，并將其應(yīng)用到礦山礦柱巖體穩(wěn)定性和巖爆監(jiān)測(cè)中，解決了許多礦山技術(shù)難題。目前，逐漸把此技術(shù)作為一種地壓監(jiān)測(cè)手段，確保地下工程及礦井生產(chǎn)安全［1-3］。

1 聲發(fā)射地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該礦山引進(jìn)長(zhǎng)沙礦山研究院開發(fā)的STL－12多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)(如圖1)，該系統(tǒng)是利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)采場(chǎng)或者空區(qū)圍巖地壓的先進(jìn)設(shè)備，通過軟件、硬件的有機(jī)結(jié)合，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)噪音抑制能力，較好地解決了被測(cè)體各向異性對(duì)定位精度的影響，從而大幅度提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)可用于對(duì)大范圍巖體工程進(jìn)行巖體分類、巖體穩(wěn)定性分析、冒頂片幫預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、礦山大面積地壓綜合分析，以及各種振動(dòng)頻率與聲波測(cè)試、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和空區(qū)探測(cè)等方面。通過電話撥號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)、關(guān)閉數(shù)據(jù)采集機(jī)、遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù);具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和提前預(yù)報(bào)的特點(diǎn)。利用這套系統(tǒng)可以對(duì)采空區(qū)地壓進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，便于技術(shù)人員對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，及時(shí)處理安全隱患，避免災(zāi)害事故的發(fā)生［4-8］。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 地壓監(jiān)控方法

通過對(duì)礦山采空區(qū)賦存現(xiàn)狀的調(diào)查和數(shù)值模擬分析，確定在－85 m水平和－130 m水平各布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)(如圖2～圖3)，充分利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采空區(qū)地壓進(jìn)行全天候24 h監(jiān)測(cè)。

在監(jiān)測(cè)過程中，監(jiān)測(cè)人員每天需要整理1次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，注意觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，結(jié)合波型數(shù)據(jù)庫分析變化原因，對(duì)空區(qū)地壓引起的數(shù)據(jù)變化及時(shí)匯報(bào)。每月對(duì)地壓活動(dòng)區(qū)的監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行2～4次分析總結(jié)，結(jié)合采空區(qū)安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，判斷當(dāng)前采空區(qū)穩(wěn)定性狀況。

由于受地質(zhì)條件、巖石性質(zhì)、開采年限等多種因素影響，空區(qū)塌陷地壓災(zāi)害有很多的不確定性，而且塌陷過程往往是突發(fā)的，其造成的嚴(yán)重后果很難預(yù)料。必須加強(qiáng)空區(qū)地壓的日常監(jiān)測(cè)工作，及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，巖石破壞的聲發(fā)射事件增多，平均事件率達(dá)到3次/min，局部時(shí)段達(dá)到5次/min以上，連續(xù)幾天全天平均事件率有明顯的上升趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)周邊無爆破作業(yè)，多測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到大量高能量事件，各測(cè)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射事件很多且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，或周期性出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)分析產(chǎn)生原因，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，若發(fā)現(xiàn)有“巖音”現(xiàn)象(即巖層發(fā)響，大響如炸雷是巖層深部離層和斷裂，小響如鞭炮聲表明巖層淺部受壓破壞)，頻率由低向高增大，巷道及采場(chǎng)出現(xiàn)裂縫、掉塊，是空區(qū)塌陷前兆，應(yīng)及時(shí)匯報(bào)并通知井下人員撤出。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和空區(qū)穩(wěn)定性分析

利用STL－12多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)對(duì)空區(qū)地壓進(jìn)行全天候24 h監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)經(jīng)過1 a左右的正常運(yùn)行，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)了地壓聲發(fā)射數(shù)據(jù)，通過整理分析數(shù)據(jù)，得到了如下結(jié)果。

3.1 巖石破壞聲發(fā)射數(shù)據(jù)特征

巖石在受力變形過程中以彈性波形式釋放應(yīng)變能產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，其攜帶了有關(guān)巖體特性的信息，根據(jù)這些信息可以判斷巖體的破壞程度，評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性，對(duì)地壓災(zāi)害進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。通過對(duì)1 a監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得出該礦巖石破壞聲發(fā)射波形和參數(shù)特征如表1所示。

表1 巖石破壞聲發(fā)射特征

3.2 典型波形事件的判斷與采空區(qū)穩(wěn)定性分析

通過整理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一些波形有規(guī)律地在某段時(shí)間內(nèi)或只在某些通道出現(xiàn)，因此，需要確定這些波形的產(chǎn)生原因，判斷是否與巖石聲發(fā)射存在關(guān)系，為分析采空區(qū)穩(wěn)定性提供依據(jù)。各種典型波形和分析結(jié)果如圖4～圖9所示。

圖4中1～8號(hào)通道沒有波形，9～12號(hào)通道出現(xiàn)低頻小能量波形，數(shù)目極少，說明此時(shí)12個(gè)測(cè)點(diǎn)附近沒有巖石聲發(fā)射事件，空區(qū)周圍的巖石處于穩(wěn)定狀態(tài)，地壓活動(dòng)不明顯，未發(fā)生開裂、斷裂現(xiàn)象。

圖9 2012年6月9日257號(hào)波形

圖5中12個(gè)通道同時(shí)監(jiān)測(cè)到聲發(fā)射事件，這些事件呈現(xiàn)衰減快、頻率小、能量大的特點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，事件率達(dá)到0.6次/min(3次/5 min)，頻率100 Hz以下，能量分布在60～128，該波形屬于低頻波形，不符合巖石變形破壞發(fā)生的聲發(fā)射波形特征，且發(fā)生時(shí)間為凌晨4點(diǎn)左右，處于井下爆破采礦時(shí)間段，因此可以確定此波形為井下爆破波形，對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性影響不大。

圖6中顯示只有6號(hào)通道監(jiān)測(cè)到波形，事件發(fā)生在10點(diǎn)左右(采場(chǎng)爆破剛剛完成后)，主要頻率為185 Hz，能量為56，持續(xù)時(shí)間短，事件少，屬于巖石聲發(fā)射事件。判斷是測(cè)點(diǎn)附近有局部巖石掉塊現(xiàn)象，從聲發(fā)射的能量和頻率來看，能量較小，可以斷定只是局部掉塊，且掉塊較小。

圖7中5#、6#、11#、12#測(cè)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)到波形，發(fā)生在9點(diǎn)11分左右，能量在100～128，主要頻率較大為333 Hz，屬于典型的巖石聲發(fā)射信號(hào)特征，該聲發(fā)射過程持續(xù)幾分鐘過后波形消失。聲發(fā)射過程持續(xù)發(fā)生在9點(diǎn)11分左右，此時(shí)正處在溜井放礦時(shí)間段內(nèi)，這4個(gè)測(cè)點(diǎn)距離溜井很近，根據(jù)巖石聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間和波形特征，通過和井下詢問放礦時(shí)間，可以確定此種波形是由于溜井放礦而產(chǎn)生的。

圖8中7#、8#測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)波形，最大能量為17，主要頻率為26 Hz，不是巖石聲發(fā)射波形，屬于低頻小能量事件，持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，頻率能量基本無變化。調(diào)查發(fā)現(xiàn)7#、8#測(cè)點(diǎn)附近2臺(tái)水泵一直在工作，噪聲很大，周圍無其他影響且之前水泵不工作時(shí)沒有出現(xiàn)過類似波形，所以判斷此為受水泵工作影響而產(chǎn)生的波形。

圖9中相距較近的9#、10#、11#、12#這4個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到波形(11#測(cè)點(diǎn)處有一振動(dòng)放礦機(jī))，最大能量為127，主要頻率為278 Hz，持續(xù)時(shí)間幾秒鐘后消失且11#測(cè)點(diǎn)首先觸發(fā)，通過與井下工人核對(duì)時(shí)間，分析是由于大塊礦石不便于裝車而在11#測(cè)點(diǎn)附近對(duì)其進(jìn)行爆破而產(chǎn)生的波形。

通過對(duì)采空區(qū)地壓監(jiān)測(cè)典型聲發(fā)射數(shù)據(jù)的分析可知，巖石破壞引起的聲發(fā)射事件較少，事件率沒有出現(xiàn)突增現(xiàn)象，能率也處于較低水平，通過分析得知大多數(shù)事件是由于采礦活動(dòng)或周邊設(shè)備干擾引起的，巖石破壞的聲發(fā)射事件數(shù)很少，經(jīng)過井下現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，圍巖和礦柱沒有出現(xiàn)大的開裂和掉塊現(xiàn)象，可以斷定目前采空區(qū)穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合礦山采空區(qū)的實(shí)際賦存情況，引進(jìn)了一套STL－12型多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)，對(duì)空區(qū)地壓進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，通過分析地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和查看采空區(qū)巖石實(shí)際情況的方法，確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，保障礦山的安全生產(chǎn)。

(2)整理分析了1 a以來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)出了巖石破壞聲發(fā)射的特征和受采礦活動(dòng)影響或周邊設(shè)備影響而產(chǎn)生的聲發(fā)射波形特征，確定目前采空區(qū)穩(wěn)定性較好，地壓活動(dòng)不明顯，可以作為礦山安全生產(chǎn)的依據(jù)。

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